一種微型軸承軸向剛度測試儀的設計

摘 要：軸承剛度是高速精密軸承重要參數之一，軸承剛度的好壞直接影響到整個軸系的性能。文章介紹了一種用于微型軸承軸向剛度測量的剛度測量儀，并對其測量原理和結構設計進行了詳細介紹。

關鍵詞：微型軸承；軸向剛度；測量儀器

引言

軸承剛度是高速精密軸承重要參數之一，軸承剛度的好壞直接影響到整個軸系的性能。所謂滾動軸承的剛度是指軸承內、外套圈產生單位的相對彈性位移量所需的外加負載[1]。

目前，國內尚沒有專用于微型軸承軸向剛度測試的設備，這類產品的檢測單位通常制作一些較簡易的裝置進行檢測，測量精度和重復性都得不到保證。一些生產和使用單位也是通過一些陳舊的設備來實現微型軸承剛度的檢測。例如通過向被測軸承吊砝碼來對軸承施加軸向載荷，在被測軸承內圈端面放置千分表來顯示被測軸承軸向的變形量，最終達到檢測軸承剛度的目的。以上方法軸向載荷無法實現無級加載，只能通過吊砝碼測得位移變形量逐個的點，根本無法依照軸承的設計要求來模擬實際載荷以及無法直接取得剛度曲線，使用不便，且誤差較大、重復性不好，不適合批量生產。

因此，文章開發了一種專用于微型軸承的軸向剛度測量儀器。

1 儀器測量原理

微型軸承軸向剛度測試儀器的測量原理如圖1所示。

將被測軸承置于剛性平面上，支撐軸承外圈并固定，使用專用的測量芯軸與軸承內圈配合，同時通過端面對軸承內圈進行加載。由底部與被測軸承同軸安裝的加載氣缸加軸向力，可獲得連續可調的無極加載。加載力的大小則由連接在氣缸和測量芯軸之間的微型測力傳感器實時采集并記錄到數據庫中。高精度的位移傳感器與測量芯軸的端面接觸，記錄被測軸承在載荷壓力下的位移變化。位移傳感器及微型測力傳感器與被測軸承位于同一軸線上，確保采集到位移和載荷數據與被測軸承的實際情況一致。測量結束后，通過計算機測量軟件對采集到數據進行分析處理，繪制出被測軸承的剛度曲線圖。如圖2所示為測量原理框圖：

2 結構設計

儀器的機械結構如圖3所示。

其中，儀器臺面采用鑄鐵工作臺，其剛性要遠大于被測零部件的剛性，可有效地消除環境振動對測量造成的影響，保證測量的準確性與穩定性。

如圖3所示，被測軸承置于固定的軸承座上，軸承芯軸與被測軸承配合安裝；位移傳感器置于軸承上方，測量頭與軸承芯軸端面接觸；氣缸、測力傳感器與被測軸承同軸安裝，通過拉繩與軸承芯軸末端連接。測量過程中，氣缸給被測軸承施加向下的軸向拉力，加載壓力通過測力傳感器實時獲取；位移傳感器與軸承芯軸端面接觸，記錄下被測軸承在受力過程中內圈變形量的大小。

進行軸承剛度測量時，為獲取連續的剛度曲線，要實現對微型軸承施加連續變化的軸向載荷，因此，本設計選用氣缸加載方式，設備選用德國FESTO緊湊型雙作用氣缸。通過精密調壓閥調節供給氣缸的壓強來實現連續變化的軸向載荷，選用高精度微型拉壓兩用測力傳感器來實時獲取加載壓力。

根據阿貝原則[2]，把微型拉壓兩用測力傳感器連接在氣缸活塞頂部，使加載氣缸、微型高精度測力傳感器、被測軸承、軸向位移傳感器位處于同一條直線上，直接測量汽缸產生的拉力。采用這種結構可保證測力傳感器所測得的力即為施加在被測軸承上的力，消除其他間接環節的影響，測力直接可靠。

氣缸活塞的上下動作通過電磁閥控制，并使用精密調壓閥調節汽缸活塞內的氣體壓強，從而改變軸向力的大小，實現軸向載荷從100g至10000g的連續可調。為了保證汽缸動作的平穩性，通過單向節流閥控制汽缸運動的動作速度，保證測量過程中平穩，無沖擊。

3 電氣及軟件設計

3.1 位移測量系統設計

位移測量系統包括位移傳感器和配套的測量電路。在對微型軸承進行剛度測量時，加載過程3，中軸向變形量小，且對位移傳感器的分辨率要求較高。儀器選用的某進口品牌的高精度軸向位移傳感器其分辨率和重復性可達到0.01μm。

測量電路包括電感式傳感器前置電路、模數轉換電路，作用是將傳感器感應的被測工件的位移信號等比例的轉換為電壓信號，再轉換為計算機可識別處理的數字信號。其原理框圖如圖4所示。

3.2 計算機數據采集分析系統

本儀器的測量軟件采用基于Windows操作平臺下的LabWindows/CVI開發軟件進行編制，實現數據采集和數據處理。該軟件具有菜單提示、人機界面友好、操作簡單、可擴充性好等特點。

為了實現位移和壓力數據采集分析，選用了ADLink公司生產的PCI9111多功能數據采集卡來實現對位移傳感器和壓力傳感器的輸出數字采樣。

計算機通過PCI9111多功能數據采集卡實現對位移測量系統和壓力測量系統的動態過程進行數據采集。其結構示意圖如圖5。

4 測量方法

在開始測量之前，先把被測軸承通過芯軸固定在軸承座上，使用加載連接件將微型測力傳感器固定在氣缸上，然后把拉鉤安裝到微型測力傳感器的連接螺紋上，接著將拉繩和軸承芯軸末端連接。

通過控制電磁閥驅動氣缸產生向下的拉力，減壓閥、單向節流閥確保動作過程平穩可靠，通過調節精密調壓閥控制氣缸所產生的預定的拉力下限，此時可調整位移測試裝置調節位移傳感器，使位移傳感器接觸在軸承芯軸上，調節精密調壓閥控制氣缸所產生的預定的拉力上限，相對位移傳感器也會記錄下位移的變化量并傳輸到電腦顯示和記錄。完成上述動作后，操作電腦專用測量軟件，即可得到此被測軸承的剛度曲線圖。

5 結束語

文章所介紹的微型軸承軸向剛度測量儀具有以下積極效果：（1）使用本測量儀器，可以準確地控制軸向力載荷，實現無級加載。實時顯示拉力傳感器和位移傳感器的變化關系，自動生成剛度曲線圖；（2）安裝、使用方便，生產一致性好，便于質量控制，適合批量化生產；（3）通過本測量儀器的測試，可分析軸承剛度性能的影響因素提供可靠的檢測分析數據，依此改進軸承設計參數、改進加工工藝等軸承剛度的影響因素，從而提高軸承質量。

參考文獻

[1]王剛，郭茂林.航天航空滾動軸承剛度[J].哈爾濱工業大學學報，2001，33（5）：644-645.

[2]王培強.阿貝原則在幾何量測量中的應用[J].中國計量，2013（7）：108-109.

作者簡介：孔志營（1987，10-），男，碩士，助理工程師，主要研究方向：軸承檢測儀器和精密零部件的設計和開發。